Trung tâm dữ liệu xanh tiết kiệm năng lượng và cân đối với đảm bảo chất lượng dịch vụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Trần Thị Luyến TRUNG TÂM DỮ LIỆU XANH:TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ CÂN ðỐI VỚI ðẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ Chuyên nghành: Kỹ Thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT … ðiện Tử Viễn Thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Trương Thu Hương Hà Nội – Năm 2014 MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ MỞ ðẦU CHƯƠNG 1: KIẾN TRÚC CỦA TRUNG TÂM DỮ LIỆU VÀ CÁC THAM SỐ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoS 11 1.1 TỔNG QUAN VỀ TRUNG TÂM DỮ LIỆU 11 1.1.1 Tầm quan trọng trung tâm liệu[4] 11 1.1.2 Trung tâm liệu xanh 12 1.1.3 Kiến trúc mạng trung tâm liệu [3] 16 1.2 ðặc ñiểm lưu lượng trung tâm liệu 20 1.2.1 Lưu lượng trung tâm liệu [13] 20 1.2.2 Sự dao ñộng lưu lượng mạng trung tâm liệu [3] 22 1.3 Các kỹ thuật tiết kiệm lượng trung tâm liệu [12] 23 1.4 Các tham số ñánh giá chất lượng dịch vụ QoS trung tâm liệu[8]27 1.4.1 ðịnh nghĩa QoS 27 1.4.2 Các tham số ñánh giá chất lượng dịch vụ QoS 27 1.5 Kết luận chương 29 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MƠI TRƯỜNG THỬ NGHIỆM 30 2.1 Mơ hình mơi trường thử nghiệm [7] 30 2.1.1 Khối theo dõi mạng (Monitoring) 31 2.1.2 Khối tối ưu (Optimizer) 31 2.1.3 Khối ñịnh tuyến (Routing) 31 2.1.4 Khối điều khiển cơng suất (Power Control) 31 2.1.5 Khối phát lưu lượng (Traffic Generators) 32 2.1.6 Khối hiển thị (Viewer) 32 2.1.7 ðồ hình mạng trung tâm liệu (data center network) 32 2.2 Giả lập mạng trung tâm liệu 33 2.3 Khối tối ưu 35 2.3.1 Thuật toán Topo-Aware Heuristic [3] 36 2.3.2 Thuật toán Link State Adaptive (LSA)[12] 39 2.3.3 Thuật toán RA-TAH (Rata Adaptive Topology-Aware Heuristic)[15] 40 2.3.4 Xây dựng khối tối ưu 42 2.3.5 Mơ hình ñánh giá lưu lượng trung tâm liệu 43 2.4 Bộ ñịnh tuyến [5] 45 2.5 Bộ phát lưu lượng [5] 45 2.6 Kết luận chương 47 CHƯƠNG ðÁNH GIÁ THAM SỐ QoS KHI CỐ GẮNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 48 3.1 ðánh giá công suất tiêu thụ mạng 48 3.2 ðánh giá mức ñộ tiết kiệm lượng hệ thống thử nghiệm 49 3.2.1 Kịch phát theo mơ hình gần (Near traffic) 49 3.2.2 Kịch phát theo mơ hình trung bình (Middle traffic) 51 3.2.3 Kịch phát theo mơ hình Far traffic 52 3.2.4 Kịch phát theo mơ hình trung bình (Mix traffic) 53 3.3 ðánh giá chất lượng dịch vụ hệ thống 53 3.3 Kết luận chương 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 LỜI CAM ðOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu, kết trình bày luận văn trung thực Những tư liệu ñược sử dụng luận văn có nguồn gốc rõ ràng, ñầy ñủ Hà Nội, tháng 09 năm 2014 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt LSA Link State Adaptation Thích ứng trạng thái ñường link QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ D-ITG Distributed Internet Traffic Bộ phát lưu lượng internet theo Generator phân bố Media Access Control ðiều khiển truy nhập ñường MAC truyền TCP Transmission Control Protocol Giao thức ñiều khiển truyền vận PLR Packet Loss Rate Tỉ lệ gói IDT Interdeparture Time Thời gian hai lần phát PS Packet Size Kích thước gói NAT Network Address Translation Chuyển ñổi ñịa mạng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ SMA Source MAC Address ðịa MAC nguồn DMA Destination MAC Address ðịa MAC ñích SSL Secure Socket Layer Lớp bảo mật socket VLAN Virtual Local Area Network Mạng LAN ảo ITU-T International Telecommunication Tổ chức chuẩn hóa quốc tế Union mạng Viễn Thông IETF Internet Engineering Task Force Uỷ ban thực thi kỹ thuật Internet IP Internet Protocol Giao thức Internet ATM Asychronous Transfer Mode Chế độ truyền tải khơng đồng LSA Link State Adaption Thích ứng trạng thái Link Cooling Hệ thống làm mát Data Center Trung tâm liệu RA-TAH Power Control ðiều khiển công suất Optimizer Bộ tối ưu Rate Adaptive -Topology-Aware Heuristic TAH Topology-Aware Heuristic DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân bố tiến trình ñến loại trung tâm liệu 22 Bảng 3.1: Thông số Fat-Tree với k=4 34 Bảng 2.3: Các giả thiết lượng tiêu thụ 43 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ Hình 1.1 Mơ hình tổng qt trung tâm liệu 12 Hình 1.2 ðồ hình trung tâm liệu truyền thống[2] 17 Hình1.3 Topology Bcube 18 Hình 1.5 Kiến trúc Fat-Tree 19 Hình 1.6 Lưu lượng trung tâm liệu có 292 server ngày[3] 23 Hình 1.7 Lưu lượng vào cổng router 23 Hình 1.8: So sánh cơng suất tiêu thụ trung bình cho tất kỹ thuật Trong phiên SL-aware kỹ thuật này, việc sử dụng liên kết 70% ln tồn đường dẫn thay cặp máy chủ 26 Hình 1.9: Cơng suất tiêu thụ cho đường chuẩn kỹ thuật LSA SL-aware LSA Trong kỹ thuật SL-aware LSA, ngưỡng sử dụng bất kỹ link ñều 70%, ln tồn đường dẫn thay cho cặp máy chủ Lưu lượng tổng hợp qua tất 292 máy chủ chu kỳ ngày ñược biểu diễn ñối diện trục y thứ 27 Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống thử nghiệm 30 Hình 3.2: Topo mạng thực mô 33 Hình 2.3: Biểu đồ thể thời gian tính tốn topo thuật tốn 37 Hình 2.4: Thuật tốn RA-TAH (Rate-Adaptive Topology-Aware Heuristic) 41 Hình 2.8: Mơ hình mix-traffic 47 Hình 3.1 Giao diện theo dõi mạng kịch Near Traffic 50 Hình 3.3 Minh họa kịch phát mơ hình Middle 51 Hinh 3.4 Năng lượng tiêu thụ phát Middle 52 Hinh 3.6 Năng lượng tiêu thụ phát Far Traffic 53 Hình 3.7 ðồ thị Delay sử dụng Optimizer trường hợp Near 54 Hình 3.8 Packet loss rate sử dụng Optimizer 55 MỞ ðẦU Lý chọn ñề tài: Ngày ngành công nghệ thông tin truyền thông (Information Communications Technology - ICT) ngành có vai trị quan trọng đời sống người, góp phần ñáng kể vào phát triển nhân loại Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm ngành ITC nguyên nhân làm gia tăng lượng khí CO2 bầu khí với 2% lượng CO2 thải vào bầu khí nguyên nhân gây tượng khí thải nhà kính Trong đó, trung tâm liệu (Data Center) với hệ thống làm mát, máy chủ Server, thiết bị mạng tiêu thụ lượng cách khổng lồ phải trì số lượng lớn trung tâm liệu phân bố khắp giới với hàng trăm ngàn server Do việc giảm lượng tiêu thụ trung tâm liệu dẫn ñến giảm chi phí hoạt động mang lại lợi ích kinh tế cho người ñầu tư người sử dụng với chi phí dịch vụ giảm, đồng thời giảm lượng khí thải CO2 Vì vấn đề nhà nghiên cứu quan tâm làm ñể giảm lượng tiêu thụ trong trung tâm liệu tập trung chủ yếu hệ thống làm mát hệ thống máy chủ (hai thành phần chiếm 70% lượng tiêu thụ trung tâm liệu), mà chưa quan tâm ñến việc tối ưu lượng tiêu thụ thiết bị mạng (chiếm khoảng 20% lượng tiêu thụ) Do đó, vấn đề đặt làm vừa tiết kiệm lượng trung tâm liệu mà phải ñảm bảo ñảm bảo chất lượng dịch vụ QoS tức ñảm bảo độ trễ tỉ lệ gói tin khơng vượt q mức độ định chấp nhận Bản luận văn tìm hiểu “ Trung tâm liệu xanh: tiết kiệm lượng cân ñối với ñảm bảo chất lượng dịch vụ” ñang ñược nghiên cứu phổ biến Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu số kiến trúc trung tâm liệu, số phương pháp tiết kiệm lượng, cơng cụ thực để đưa đồ hình thử nghiệm tối ưu Thực mơi trường testbed để kiểm tra tương ứng với đồ hình cho tiết kiệm lượng với tham số ñộ trễ tỉ lệ gói tin cố gắng tiết kiệm lượng ðối tượng phạm vi nghiên cứu: Luận văn tập trung nghiên cứu lý thuyết kiến trúc dùng trung tâm liệu, phương pháp tiết kiệm lượng, lý thuyết tham số ñánh giá chất lượng dịch vụ, ñể ñưa ñược kiến trúc tối ưu Phương pháp nghiên cứu: - Thực nghiên cứu lý thuyết kiến trúc trung tâm liệu số phương pháp tiết kiệm lượng công cụ thực mô - Sử dụng môi trường testbed cài đặt máy ảo ubuntu để chạy mơ kiến trúc thử nghiệm ño tham số tỉ lệ gói độ trễ gói tin Cấu trúc luận văn: Bản luận văn với ñề tài “Trung tâm liệu xanh: tiết kiệm lượng cân ñối với ñảm bảo chất lượng dịch vụ” gồm nội dung sau đây: Chương 1: Tổng quan trung tâm liệu 1.1 Tổng quan trung tâm liệu 1.2 Trung tâm liệu xanh 1.3 Các giải pháp tiết kiệm lượng trung tâm liệu 1.4 Chất lượng dịch vụ trung tâm liệu 1.5 Kết luận chương Chương 2: Các công cụ hỗ trợ 2.1 Mininet 2.2 Công nghệ Openflow 2.3 Bộ ñiều khiển POX Rút gọn P ta ñược: Với ñồ hình Fat-Tree xây dựng từ switch k-ports, có tổng cộng 5k2/4 switch, có tổng cộng 5k3/4 port có tổng cộng k3/2 link liên kết mạng switch ðồng thời ta thấy tắt switch agg core switch tắt tương ứng với k link tắt theo ñó: Với k=4 ta có: Theo số nghiên cứu đo đạc thực tế mơ hình tiêu thụ switch ta có Mức lượng tiêu thụ (%) mạng C=100-S ðây mơ hình đánh giá lượng tiết kiệm mức lý thuyết tính tốn đến việc tiết kiệm riêng thiết bị mạng mà chưa tính tới thiết bị thành phần kèm với thiết bị mạng Trong thực tế ñể tránh cố xảy mạng ln phải thêm vào mạng số thiết bị thay trạng thái sẵn sàng, 44 thiết bị mạng hoạt động xảy cố thiết bị thay tiếp nhận ñược nhiệm vụ dở dang thiết bị Khi mơ hình đánh giá khả tiết kiệm lượng mạng phải thay ñổi nhiều 2.4 Bộ định tuyến [5] Thuật tốn định tuyến mà nhóm nghiên cứu OpenFlow sử dụng thuật tốn định tuyến cân tải phân cấp Hierachical Load-Balancing Routing Algorithm Thuật tốn tính tốn đường cho tất gói tin luồng từ cặp nguồn đích theo đường ðường tối ưu chọn đường có giá nhỏ theo tiêu chí đường có tải nhỏ Với tiêu chí tải tồn mạng phân phối tất link đồ hình sau ñã tối ưu, việc tránh dồn tải nặng lên số link link khác ñang rảnh rỗi ðiều ñảm bảo chất lượng QoS cho trung tâm liệu, khơng xảy gói nhiều định tuyến chung ñường hay tải mạng mức ngưỡng link cho phép 2.5 Bộ phát lưu lượng [5] Như ñã trình bày chương 1, phân bố lưu lượng tập trung chủ yếu trung tâm liệu phân bố Lognormal, ngồi cịn số thống kê cho trung tâm liệu vừa nhỏ sau: - Lưu lượng ứng dụng không chạy qua ñều rack - Kích thước flow trung tâm liệu